基于UG 的數控多軸加工工藝優化設計分析

秦秋香

（江蘇省常熟中等專業學校，常熟 215500）

數控多軸加工大多指三軸以上的聯動加工模式，主要運用于艦船用螺旋槳和風力發電設備發動機葉片等復雜零件型面的加工。而UG 是一款三維參數化設計軟件，具有齊全的多軸加工模塊，可以通過控制投影方向、刀軸矢量以及驅動方式達到多軸加工目標。基于此，在UG 自帶的自動編程功能支持下，探索數控多軸加工工藝的優化設計方式具有非常重要的意義。

1 以UG 為載體的數控多軸加工工藝優化設計基本方法

1.1 四軸聯動加工工藝優化

站在加工程序的角度看，四軸聯動加工工藝主要指程序中的每一行加工坐標在4 個或以下。由于它的加工坐標數量有限，一定程度上制約了零件刀路的生成。特別是在陀螺零件四軸聯動加工時，遠離直線加工道路中的刀具極易與工件發生碰撞干涉，降低刀桿的穩定性，影響零件加工質量。基于此，可以利用UG 軟件自帶的插補矢量方式，在刪除系統默認的除邊界位置之外的全部矢量后，旋轉零件旋轉軸至180°，點擊F8 鍵并利用左鍵單擊固定旋轉軸[1]。隨后拖動鼠標，促使零件旋轉至所需位置，逐一點擊剩余矢量并選擇視圖方向圖表，在空間任意位置進行刀軸控制。除此之外，利用UG 軟件自帶的“插值-光順”功能，可以避免數控機床運行階段加速度變化不均對刀具運動軌跡光滑過渡的不利影響，保證加工過程中刀具始終不與工件發生碰撞干涉。

1.2 五軸聯動加工工藝優化

從加工中心入手，五軸聯動加工工藝可以以加工設備為中心，利用設備自帶的可變軸曲面輪廓功能進行零件加工。與四軸聯動加工工藝類似，五軸聯動加工工藝也存在刀具與工件碰撞干涉問題。為了避免出現這一問題，可以利用UG 軟件自帶的插補矢量方式，依據四軸聯動加工工藝優化步驟，在旋轉零件旋轉軸至180°并點擊F8 鍵后，不需利用鼠標單擊旋轉軸固定，而是直接拖動鼠標調節加工區域邊界刀軸矢量方向至刀具。需要說明的是，整個過程工件無干涉風險。

2 以UG 為載體的數控多軸加工工藝優化設計案例

2.1 數控多軸加工工藝的基本情況

某風力發電設備中葉輪材料為硬鋁2A12。葉輪是一個葉片呈螺旋升角狀的直紋面回轉體結構，軸向寬度和最小曲率分別為10.0000mm、R5，葉片最小厚度和最大厚度分別為1.7721mm、3.2000mm，葉片數量為15 個，葉片形狀精度誤差為±0.0300mm。由于風機葉輪運行環境較為惡劣，可以選擇硬鋁作為毛坯材料。根據實體墨線加工需要，加工毛坯可選擇直徑×長度為302.00mm×122.00mm 的棒材，以達到減小切削率的目的。具體加工時可以選用帶有雙輪盤結構的五軸機床，其中粗加工和精加工刀具分別為直徑為10.00mm 的立銑刀和直徑為6.00mm 的球頭銑刀，同時控制主軸方向始終與水平面垂直，并抬升工件裝夾位置，以達到降低刀具和夾具碰撞干涉的目的。

2.2 參數化建模

由于風機葉輪葉片曲面形狀和線路復雜度較高，因此可以利用UG 軟件對零件進行三維建模。根據前期工藝規劃中的位置確定和夾緊方案選擇參數，在UG 軟件自帶的虛擬裝配功能支持下，利用自底向上的設計思路，構建一個整體葉輪零件的過渡毛坯、夾具以及組件的幾何模型。在數控五軸加工機床參數化建模時，可以按照添加床身組件、添加Y 軸組件、添加X 軸組件、添加Z 軸組件、添加A 軸組件以及添加C 軸組件的順序逐次建模。最終得到的組件幾何模型如圖1 所示。

圖1 組件幾何模型

2.3 數控編程

獲取三維實體模型后，可以基于數控五軸加工刀位軌跡生成需求，利用UG 軟件自帶的裝配功能設置加工環境和父級組。

首先，從各加工操作次序排列入手，選擇系統默認的程序組對各加工操作進行管控[2]。

其次，選擇前期選定的立銑刀（直徑為10.00mm）和球頭銑刀（直徑為6.00mm），創建刀具負級組，并設置立銑刀和球頭銑刀的參數。在整個零件粗加工時，根據風機葉輪尺寸，可以選擇基于立銑刀的型腔銑加工模式。在輪轂、葉片半精加工時，考慮到粗加工后仍然會預留較大的加工量，可以以去除部分殘余量為目標，選擇基于球頭銑刀的深度五軸銑加工模式。在葉輪輪轂精加工時，可以結合風機葉輪尺寸，以去除殘余材料為目標，選擇基于球頭銑刀的可變軸曲面輪廓銑加工模式。同理，在葉片精加工時，選擇基于球頭銑刀的可變軸曲面輪廓銑加工模式。在清角加工時，則可以選擇基于球頭銑刀的可變軸面輪廓銑加工模式。

再次，在刀具參數設置完畢后，創建整體風機葉輪零件加工坐標系。其中，“前傾角”設置為5.0000，“側傾角”大于螺旋升角，以便在保證刀具可加工到葉面全部部位的同時，避免刀尖切削、刀具與工件發生干涉碰撞。此外，在“曲面區域驅動方法”中將“數量”調整為“殘余高度”，從而為刀軌數量和葉面加工質量控制提供依據[3]。

最后，從粗加工→半精加工→精加工程序入手，結合各加工模塊切削參數創建加工方法組。例如，銑削粗加工部件余量為0.6000mm，公差（內公差、外公差）為0.0300mm。整個零件加工程序和參數確定后，在UG 軟件中計算生成的刀路軌跡，并進行二維刀路仿真。

3 以UG 為載體的數控多軸加工工藝精度可靠性處理

3.1 仿真準備

在UG 軟件中，左鍵點擊開始按鈕，選擇全部應用模塊中的“機床構建器”，創建五坐標機床運動仿真全部運動部件，如主軸、旋轉工作臺及工件安裝部件等，進而形成五坐標立式銑削加工中心機床的運動仿真體系。

在五坐標立式銑削加工中心機床的運動仿真體系中，進行機床運動仿真各組件連接點、軸的創建。一般來說，機床運動仿真各連接點是一個完整的坐標系統，可以將各運動組件逐一連接。而運動軸則決定了五坐標立式銑削加工中心機床的軸向運動幅度和方向。

五坐標立式銑削加工中心機床的運動組件連接點和運動軸創建完畢后，利用軟件自帶的文件創建工具進行后置處理文件創建，并設定軸限制最大值為120，最小值為-100。機床到軸中心坐標各軸偏置均為0.0。隨后左鍵點擊“文件”，選擇“另存為”，保存在五軸葉輪加工文件夾下。同時，采用記事本的形式打開安裝目錄文件夾中的文件，添加后置處理文件并保存[4]。在“機床視圖”選項下調出“庫類選擇”對話框，將前期設計的機床運動模型導入到模型庫內，實現機床裝載。

3.2 加工及處理

在機床裝載完畢后，逐一進行粗加工、半精加工、輪轂精加工以及葉片精加工仿真，并針對風機葉輪結構配置的五軸聯動數控機床后置處理器展開后置處理操作。在UG加工應用環境中，點擊工序導航器中的節點操作按鈕，彈出后處理對話框后，選擇后處理列表中的五軸后處理器新建選項并勾選列出輸出框后，點擊確定[5]。獲得五軸加工后置處理程序后，采用記事本的方式啟動文件，生成風機葉輪五軸加工程序片段。

4 結語

在數控多軸加工工藝中，旋轉軸的引入可以在三軸上實現多次裝夾，從而一次性完成加工工序。通過將UG 軟件應用于數控多軸加工工藝，可以在保證刀具側刃和平刀底面充分應用于傾斜面、直紋面加工的同時，縮短加工周期，減少加工成本。因此，技術人員可以將UG 軟件應用于數控多軸加工設計，通過設置恰當的傾角和高度參數，防控多軸加工中的刀具干涉，保證加工效率。